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Grundregeln für die Auswahl von MOSFETs

Die maximale Drain-Source-Spannung (max Vds) bestimmt die maximale Spannung, die Sie schalten können.

Die Gate-Schwellenspannung bestimmt die Spannungsdifferenz, die an das Gate angelegt werden muss, damit der Mosfet leitet.

Die maximale Gate-Source-Spannung (max Vgs) ist ein kritischer Faktor, der nicht überschritten werden darf (auch nicht für ein paar nS), sonst kann der MOSFET zerstört werden. Werden die Stromschienen Spitzen aufweisen? Wenn ja, sorgen Sie für eine Art Schutz (z. B. Transientenunterdrücker) oder wählen Sie einen Baustein mit einer höheren Leistung. Beim Schalten von Hochspannungsschienen (z. B. 24 V aus Niederspannungslogik) können Sie diese Anforderung oft mit einem Spannungsteiler erfüllen, der dem Mosfet eine Gatespannung über 0 V liefert.

Müssen Sie einen Mosfet-Treiber-IC verwenden? Wenn der mosfet einen hohen Gate-Schaltstrom hat (z.B. Hochstrom-MOSFETs) oder schnell geschaltet wird (um sicherzustellen, dass der mosfet effizient mit minimaler Verlustleistung arbeitet), kann dies notwendig sein.

Prüfen Sie die nachstehenden Hinweise zu ‚Warum MOSFETs versagen‘

Allgemeine Hinweise

Erweiterte MOSFETs lassen im eingeschalteten Zustand Strom in beide Richtungen mit einem im Wesentlichen identischen RDSON zu. Im ausgeschalteten Zustand sperren sie den Strom in einer Richtung.

Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz sind MOSFETs anfällig für Schäden durch elektrostatische Entladungen. Manchmal haben sie integrierte Schutzdioden oder Zeners.

Anreicherungs-MOSFETs enthalten eine Diode zwischen den Source- und Drain-Pins.
Ein doppelter Anreicherungs-MOSFET enthält zwei Dioden von Kathode zu Kathode.

Ein MOSFET benötigt nur während der Schaltflanke einen Gatestrom, um die GS-Kapazität zu laden. Dieser Gatestrom kann hoch sein.

Zum Schalten von 0 V

Verwenden Sie einen n-Kanal-MOSFET, bei dem die Source mit 0 V verbunden ist (entweder direkt oder über einen Strombegrenzungswiderstand) und die Last an Drain angeschlossen ist.

Wenn die Gate-Spannung die Source-Spannung um mindestens die Gate-Schwellenspannung übersteigt, leitet der MOSFET. Je höher die Spannung ist, desto mehr kann der Mosfet leiten.

N-Kanal-MOSFETs haben niedrigere Einschaltwiderstände als P-Kanal-MOSFETs und sind daher vorzuziehen, wenn man die Wahl hat, welche Seite man schalten möchte.

N-Kanal-MOSFETs können in bestimmten Konfigurationen auch +V schalten, wobei Drain als Vin und Source als Vout geschaltet wird.

Mit einem P-Kanal-MOSFET +V schalten

Verwenden Sie einen P-Kanal-MOSFET, bei dem Source mit +V verbunden ist (entweder direkt oder über einen Strombegrenzungswiderstand) und die Last an Drain angeschlossen ist.

In der Regel muss der Source-Pin positiver sein als der Drain (dies gilt jedoch nicht, wenn ein P-MOSFET z. B. als Verpolungsschutz verwendet wird).

Wenn die Gate-Spannung niedriger als die (Source-Spannung – Gate-Schwellenspannung) ist, leitet der MOSFET. Ist die Gate-Spannung höher als diese, leitet er nicht. Je größer die Spannungsdifferenz zur Source ist, desto mehr kann der MOSFET leiten.

P-Kanal-MOSFETs haben höhere Einschaltwiderstände als N-Kanal-MOSFETs und sind daher oft weniger geeignet.

Der P-Kanal-MOSFET hat für einige Anwendungen einen Vorteil gegenüber dem N-Kanal-MOSFET, da die Ein-/Aus-Steuerung einfacher ist. Ein N-Kanal-MOSFET, der +V schaltet, benötigt eine zusätzliche Spannungsschiene für das Gate; der P-Kanal braucht das nicht.

Mit einem N-Kanal-MOSFET +V schalten

Verwenden Sie einen N-Kanal-MOSFET, dessen Drain mit +V und die Last mit Source verbunden ist.

Die Sache hat allerdings einen Haken: Der MOSFET schaltet sich ein, wenn der Schwellenwert von Vgs erreicht wird, und die Source-Spannung wechselt bei dieser Anordnung zwischen Aus (0 V) und Ein (Vin). Das bedeutet, dass man das Gate nicht auf Vin schalten kann, man braucht eine andere Spannungsschiene, die mindestens um die Vgs-Schwelle des Mosfets höher ist als Vin und auch nicht die maximale Vgs-Spezifikation überschreitet.

Gate-Widerstand

Die Verwendung eines niedrigen Widerstandes zwischen dem MOSFET-Treiber und dem MOSFET-Gate-Anschluss dämpft alle Schwingungen, die durch die Leitungsinduktivität und die Gate-Kapazität verursacht werden und die andernfalls die maximal zulässige Spannung am Gate-Anschluss überschreiten können. Außerdem verlangsamt es die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit des MOSFET. Dies kann nützlich sein, wenn die eigenen Dioden im MOSFET nicht schnell genug einschalten.

Wenn Sie einen MOSFET über eine schwankende, möglicherweise verrauschte Leitung (z. B. Relaiskontakte) ansteuern, sollten Sie einen kleinen Vorwiderstand in der Nähe des MOSFETs verwenden, um UKW-Schwingungen zu unterdrücken. 22 Ohm sind ausreichend, man kann auch weniger verwenden.

Wenn die Geschwindigkeit / Laufzeitverzögerung kritisch ist, sollten Sie versuchen, einen Gatewiderstand zu vermeiden oder seinen Wert niedrig zu halten. Bei einem 5V-Signal und einem FDN335N kann ein 1K-Gate-Widerstand beispielsweise eine Laufzeitverzögerung von etwa 200-400nS (verzögertes Umschalten von Gate zu Drain) bewirken.

Bei Hochstrom-MOSFETs kann die Gate-Kanal-Kapazität sehr hoch sein, und eine sich schnell ändernde Drain-Spannung kann einen transienten Gate-Strom von einigen Milliampere erzeugen. Dies kann ausreichen, um empfindliche CMOS-Treiberchips zu übersteuern und sogar zu beschädigen. Die Verwendung eines Serienwiderstands ist ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Schutz, wobei Werte von 100R bis 10K typisch sind. Auch ohne induktive Lasten gibt es einen dynamischen Gatestrom. Außerdem sind MOSFETs extrem anfällig für Schäden durch elektrostatische Entladung und können durch einen einzigen Gate-Durchbruch irreversibel beschädigt werden. Aus diesem Grund ist es eine sehr gute Idee, Gate-Vorwiderstände von 1K bis 10K zu verwenden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Gate-Signal von einer anderen Leiterplatte kommt.

Wenn ein MOSFET schwebend gelassen werden kann, dann verwenden Sie einen Pull-Down-Widerstand (100K bis 1M ist im Allgemeinen in Ordnung) von Gate zu Source.

Gate-Treiber-ICs

Treiber-ICs werden häufig für Hochstrom-MOSFETs und bei schnellen Schaltraten verwendet, da der MOSFET kurze, aber hohe Ströme benötigt, um seinen Zustand zu ändern. Die Eingänge eines Treibers haben in der Regel Logikpegel. MOSFETs benötigen oft eine Ansteuerung von 1 – 2A, um bei Frequenzen von Hunderten von Kilohertz effizient schalten zu können. Diese Ansteuerung ist auf einer gepulsten Basis erforderlich, um die MOSFET-Gate-Kapazitäten schnell zu laden und zu entladen.

Parallelschaltung von MOSFETs

MOSFETs können parallel geschaltet werden, um die Strombelastbarkeit zu verbessern. Verbinden Sie einfach die Gate-, Source- und Drain-Anschlüsse miteinander. Es können beliebig viele MOSFETs parallel geschaltet werden. Beachten Sie jedoch, dass die Gate-Kapazität mit zunehmender Anzahl von parallel geschalteten MOSFETs ansteigt und der MOSFET-Treiber schließlich nicht mehr in der Lage ist, diese zu steuern.

Verwendung von N-Kanal-MOSFETs zum Schalten positiver Spannungen

Ja, das geht! Solange die Vgs-Spezifikation erfüllt ist, schaltet sich ein N-Kanal normalerweise ein und lässt Strom von Source zu Drain fließen (Source positiver als Drain). Die Body-Diode lässt den Strom sowieso fließen, aber wenn man den Mosfet einschaltet, kann er vollständig fließen.

Verwendung der Body-Diode

Sie können die Body-Diode verwenden, um Strom durch einen Mosfet fließen zu lassen, aber Sie müssen vorsichtig sein und wissen, was Sie tun, um sicherzustellen, dass der Mosfet dadurch nicht beschädigt wird.

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With P-Channel MOSFETs

Bei dieser Rücken-an-Rücken-Anordnung von P-Kanal-Mosfets fließt der Strom beim Einschalten in beide Richtungen. Im ausgeschalteten Zustand sind beide Seiten isoliert. Sie können jeden typischen P-Kanal-Mosfet verwenden.

Der Transistorschalter wird benötigt, weil die Gates durch einen Open-Drain-Ausgang geschaltet werden müssen, um zu vermeiden, dass die Spannung Vgs des Ein-Aus-Signals im Verhältnis zu den an die Drains angeschlossenen Stromschienen groß genug ist. Der Transistor könnte durch einen Open-Drain-IC verloren gehen, der die Drain-Spannungen im ausgeschalteten Zustand tolerieren kann, um das Signal zu liefern.

Beachten Sie, dass diese Anordnung nur geeignet ist, wenn die zu schaltende Spannung > Vgs Schaltschwelle des verwendeten Mosfets ist.

Wo dies nicht gewährleistet werden kann oder eine Opto-Isolierung erforderlich ist, sind Foto-Mosfet-Festkörperrelais eine hervorragende Lösung. Beispiele:

Avago ASSR-1218 – 200mA, 60V Nennspannung. Schaltet problemlos niedrige Spannungen wie +3V3 ohne Spannungsabfall, der nur durch den Durchlasswiderstand verursacht wird (d.h. ohne den Spannungsabfall, der bei der Verwendung eines Transistor-Ausgangsopto-Isolators entsteht).

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With N-Channel MOSFETs

Ein Beispiel:

Warum MOSFETs versagen

Unzureichende Gate-Ansteuerung

MOSFET-Bauteile können nur deshalb große Mengen an Strom schalten, weil sie so konstruiert sind, dass sie beim Einschalten nur wenig Strom verbrauchen. Sie müssen sicherstellen, dass der MOSFET fest eingeschaltet ist, um die Verlustleistung während des Leitens zu minimieren. Wenn das Gerät nicht vollständig eingeschaltet ist, hat es einen hohen Leitungswiderstand und verliert viel Energie in Form von Wärme.

Überspannung

Überschreiten Sie die Nennspannung eines MOSFETs nur für ein paar nS und Sie können ihn zerstören. Wählen Sie MOSFET-Bauelemente konservativ für die zu erwartenden Spannungspegel aus und stellen Sie sicher, dass Sie Spannungsspitzen oder Klingeln berücksichtigen oder unterdrücken.

Spitzenstromüberlastung

Überlastströme von kurzer Dauer können zu einer fortschreitenden Schädigung eines MOSFETs führen, oft mit einem kaum merklichen Temperaturanstieg vor dem Ausfall. Bei MOSFETs werden oft hohe Spitzenströme angegeben, die jedoch in der Regel nur für Spitzenströme von einigen 100 uS gelten. Wenn Sie eine induktive Last schalten, stellen Sie sicher, dass Sie den MOSFET überdimensionieren, um die Spitzenströme zu bewältigen.

Lange Stromüberlastung

Wenn ein MOSFET einen hohen Strom durchlässt, erwärmt sich sein Durchlasswiderstand. Wenn die Kühlung schlecht ist, kann der MOSFET durch zu hohe Temperaturen zerstört werden. Eine Lösung für dieses Problem kann darin bestehen, mehrere MOSFETs parallel zu schalten, um hohe Lastströme auf sie aufzuteilen.

H- oder Vollbrückenkonfiguration Shoot-through / Querleitung

Wenn P- und N-MOSFETS zwischen Spannungsschienen verwendet werden, um eine H- oder L-Ausgangsspannung zu liefern, überschneiden sich die Steuersignale für die MOSFETs, so dass es zu einem Kurzschluss der Versorgung kommt, was als Shoot-through-Bedingung bezeichnet wird. In diesem Fall werden die Entkopplungskondensatoren der Versorgung bei jedem Schaltvorgang durch beide Bauelemente schnell entladen, was zu sehr kurzen, aber großen Stromimpulsen führt.

Um dies zu vermeiden, muss man eine Totzeit zwischen den Schaltübergängen zulassen, während der keiner der beiden MOSFETs eingeschaltet ist.

Kein Strompfad für den Freilauf

Beim Schalten induktiver Lasten muss ein Pfad für die Rück-EMK vorhanden sein, um den Freilauf zu ermöglichen, wenn der MOSFET abschaltet. Enhancement-MOSFETs verfügen über eine Diode, die diesen Schutz bietet.

Slow reverse recovery of MOSFET body diode

Resonanzkreise mit hoher Güte sind in der Lage, beträchtliche Energie in ihrer Induktivität und Eigenkapazität zu speichern. Unter bestimmten Abstimmbedingungen führt dies dazu, dass der Strom durch die internen Body-Dioden der MOSFET-Bauelemente „freiläuft“, wenn sich ein MOSFET aus- und das andere Bauelement einschaltet. Ein Problem entsteht durch das langsame Ausschalten (oder die umgekehrte Erholung) der internen Body-Diode, wenn der gegenüberliegende MOSFET versucht, sich einzuschalten. MOSFET-Gehäusedioden haben im Allgemeinen eine lange Sperrdauer im Vergleich zur Leistung des MOSFET selbst. Wenn die Body-Diode eines MOSFETs leitend ist, wenn der gegenüberliegende Baustein eingeschaltet wird, kommt es zu einem „Kurzschluss“, ähnlich dem oben beschriebenen Shoot-Through-Zustand. Sie können dieses Problem lösen, indem Sie eine Schottky-Diode in Reihe mit der MOSFET-Source (verhindert, dass die MOSFET-Körperdiode durch den Freilaufstrom in Durchlassrichtung vorgespannt wird) und eine Hochgeschwindigkeitsdiode (schnelle Erholung) parallel zum MOSFET/Schottky-Paar anschließen, so dass der Freilaufstrom den MOSFET und den Schottky vollständig umgeht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die MOSFET-Körperdiode niemals in den Stromfluss getrieben wird. Der Freilaufstrom wird von den schnellen Erholungsdioden gehandhabt, die ein geringeres Durchschussproblem darstellen.

Übermäßige Gate-Ansteuerung

Wenn das Gate des MOSFET mit einer zu hohen Spannung angesteuert wird, kann die Gate-Oxid-Isolierung durchstoßen und der MOSFET zerstört werden. Stellen Sie sicher, dass das Gate-Treibersignal frei von schmalen Spannungsspitzen ist, die die maximal zulässige Gate-Spannung überschreiten könnten.

Langsame Schaltübergänge

Während des ständigen Ein- und Ausschaltvorgangs wird nur wenig Energie verbraucht, während der Übergangsphasen jedoch viel Energie. Daher ist es wünschenswert, so schnell wie möglich zwischen den Zuständen zu wechseln, um die Verlustleistung beim Schalten zu minimieren. Da das MOSFET-Gate kapazitiv ist, sind beträchtliche Stromimpulse erforderlich, um das Gate in einigen zehn Nanosekunden zu laden und zu entladen. Die Gate-Spitzenströme können bis zu einem Ampere betragen.

Störschwingungen

MOSFET-Eingänge sind relativ hochohmig, was zu Stabilitätsproblemen führen kann. Unter bestimmten Bedingungen können Hochspannungs-MOSFET-Bauelemente aufgrund von Streuinduktivität und Kapazität in der umgebenden Schaltung bei sehr hohen Frequenzen schwingen. (Die Frequenzen liegen in der Regel im niedrigen MHz-Bereich.) Außerdem sollte eine Gate-Treiberschaltung mit niedriger Impedanz verwendet werden, um zu verhindern, dass Streusignale in das Gate des Bauelements einkoppeln.

Störungen des Steuergeräts

Das schnelle Schalten großer Ströme kann zu Spannungseinbrüchen und transienten Spitzen auf den Stromversorgungsschienen führen, die die Steuerschaltung stören können. Es sollten gute Entkopplungs- und Sternpunkt-Erdungstechniken verwendet werden.

Schäden durch statische Elektrizität

MOSFETs sind sehr empfindlich gegenüber statischer Elektrizität. Um Schäden am Gate-Oxid zu vermeiden, sollten antistatische Maßnahmen ergriffen werden.